Аннотация
Для приложений с частотно-регулируемым электроприводом широко используется метод управления, основанный на векторной широтно-импульсной модуляции. Алгоритм модуляции в основном реализуется с помощью программного обеспечения на базе микроконтроллеров или цифровых сигнальных процессоров. Однако такие решения не всегда являются оптимальными вследствие ограниченного быстродействия программной реализации и трудностей масштабирования. В качестве альтернативного решения предложена реализация устройства управления преобразователем частоты регулируемого электропривода, выполненная на аппаратном уровне на основе программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС). Реализовано скалярное управление с упрощённой пространственно-векторной широтно-импульсной модуляцией. Благодаря гибкости использования ресурсов ПЛИС снимаются ограничения на возможности масштабирования производительности регулируемых электроприводов. Отдельные модули преобразователя частоты реализованы на языке описания аппаратных средств Verilog, что позволяет перенести рассмотренный подход на любую программируемую логику достаточной емкости. Использованы методы цифровой обработки сигналов и показано их практическое применение в цифровых системах управления. Представленный подход позволил уменьшить затраты на проектирование, поскольку в нем не использовались вычисления тригонометрических функций в ПЛИС. Это стало возможным благодаря реализации простых синхронных схем, состоящих из блоков памяти и логики управления. Приведен практический пример разработки преобразователя частоты с упрощённой пространственно-векторной широтно-импульсной модуляцией. Реализация алгоритмов выполнена в бесплатной (ограниченной) интегрированной среде разработки Quartus Prime Lite Edition. Приведены экспериментальные осциллограммы выходных напряжений, полученные при тестировании проекта, загруженного в ПЛИС. Данная статья может быть практически полезной разработчикам коммерческих недорогих скалярных преобразователей частоты.
Ключевые слова
программируемая логическая интегральная схема, FPGA, широтно-импульсная модуляция, Verilog, Quartus Prime Lite Edition, UART, асинхронный двигатель, преобразователь частоты, язык описания аппаратуры, скалярное управление, ROM
1. Коптяев Е.Н. Двухканальный непосредственный преобразователь частоты // Электричество. 2018. № 3. С. 33-37. doi: 10.24160/0013-5380-2018-3-33-37.
2. Васильев Б.Ю., Добуш В.С. Эффективные алгоритмы управления полупроводниковыми преобразователями в асинхронных электроприводах // Электричество. 2014. № 4. С. 54-61.
3. Современные силовые полупроводниковые приборы для энергоэффективных технологий / А. Бормотов, А. Гришанин, В. Мартыненко, В. Мусктиньев, В. Чибиркин // Электроника: наука, технология, бизнес. 2010. №4. С. 36-44.
4. Розанов Ю.К. Основные этапы развития и современное состояние силовой электроники // Электричество. 2005. №7. С. 52-61.
5. Ульянов А.В., Шибеко Р.В. Применение SiC-транзисторов для построения силовых преобразовательных блоков // Современные наукоемкие технологии. 2021. № 8. С. 124-131. doi doi:10.17513/snt.38790
6. Ле Д.Т., Аверин С.В. Оптимизация алгоритмов коммутации в инверторах с векторной ШИМ // Вестник Московского авиационного института. 2016. Т. 23. № 3. С. 155-164.
7. Чаплыгин Е.Е., Хухтиков С.В. Способ управления автономным инвертором напряжения с векторной ШИМ // Практическая силовая электроника. 2010. № 39. С. 40-43.
8. Белоусов И.В., Самосейко В.Ф. Оптимальная двухфазная широтно-импульсная модуляция // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Электротехника, информационные технологии, системы управления. 2018. № 28. С. 32-49.
9. Yu Z. Space-Vector PWM With TMS320C24x/F24x Using Hardware and Software Determined Swithing Patterns // Texas Instruments Application Report SPRA524. 1999. Pp. 24-28.
10. Соколовский Г.Г. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием. М.: Академия, 2006. 272 с.
11. Виноградов А.Б. Векторное управление электроприводами переменного тока. Иваново: ИГЭУ, 2008. 298 с.
12. Егоров В.А., Егорова Ю.Г., Плотников Е.В. Микроконтроллерная система управления автономным инвертором с упрощённой пространственно-векторной широтно-импульсной модуляцией // Учёные записки Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета. 2020. № III-1 (43). С. 37-42.
13. Егоров В.А., Плотников Е.В. Микроконтроллерная система управления автономным инвертором с пространственно-векторной широтно-импульсной модуляцией // Научно-технический вестник Поволжья. 2020. № 4. С. 29-32.
14. Баховцев И.А. Микропроцессорные системы управления устройствами силовой электроники: структуры и алгоритмы. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2018. 219 с.
15. Отечественный микроконтроллер К1921ВК01Т для управления электродвигателями / А. Анучин, А. Жарков, В. Козаченко, М. Лашкевич, И. Потапов // Электроника: наука, технология, бизнес. 2016. № 1. С. 80-93.
16. Гусев С., Шумилин С., Калачев Ю. Специализированный микроконтроллер АО «ПКК Миландр» для реализации алгоритмов векторного управления электроприводами // Электронные компоненты. 2015. № 10. С. 84–87.
17. Вычужанин В. Методика проектирования оптимальных систем управления электродвигателями на ПЛИС // Современная электроника. 2011. № 7. С. 54-59.
18. СБИС программируемой логики семейства Cyclone V. URL: http://altera.ru/sbis-pl-cyclone-V.html (дата обращения 18.10.2022)
19. Семейство ПЛИС Zynq-7000 компании XILINX. URL: https://fpga.su/vse-plis-fpga-xilinix/zynq-70001/ (дата обращения: 18.10.2022)
20. Веб-сервис для хостинга IT-проектов URL: https://github.com/AlexVUlyanov/FPGA/tree/main/3-Phase_induction%20motor_control (дата обращения: 18.10.2022)
Ульянов А.В., Копытов С.М. Пример реализации скалярного управления с упрощённой пространственно-векторной широтно-импульсной модуляцией на языке описания аппаратуры Verilog // Электротехнические системы и комплексы. 2023. № 1(58). С. 67-75. https://doi.org/10.18503/2311-8318-2023-1(58)-67-75